Az EV3 távolság szenzorának megismerése egyszerű kísérleteken keresztül. Fourier nyomásmérő szenzor megismerése egyszerű kísérleteken keresztül

Átírás

1 Előzetes mérési tapasztalat: A mérés a távolságmérő szenzor és a nyomásmérő szenzor, valamint a kiértékelő szoftverek használatában szerzett jártasságot igényel, ezért Szükséges előzetes kísérlet: Az EV3 távolság szenzorának megismerése egyszerű kísérleteken keresztül Fourier nyomásmérő szenzor megismerése egyszerű kísérleteken keresztül A különböző keménységű pattogó labdák vizsgálatának célkitűzése: Gondolkodtál valaha azon, hogy a National Basketball Association (NBA) mi alapján határozza meg azt, hogy a mérkőzések során használt kosárlabdákban mennyi levegőnek kell lennie? Az NBA a labdákban lévő légnyomást méri psi egységben (pounds per square inch; nem SI-egység). Ebben a kísérletben ti is kosárlabdákkal fogtok dolgozni, de a légnyomást a tudósok által alkalmazott mértékegységben kilopascalban ( kpa) fogjátok meghatározni. A labdában uralkodó légnyomást fogjuk megváltoztatni, és azt fogjuk majd megmérni, hogy milyen magasra pattan fel a labda. A mérés célkitűzése: A tanulók állítsanak fel hipotézist a kísérlet kulcskérdésére, majd a mért adatok birtokában értékeljék feltevésük helyességét! A tanulók figyeljék meg, hogyan hat a kosárlabda pattogására az, ha a labdában lévő nyomás változik. Rögzítsék a jellemző adatokat, készítsenek grafikont, vonják le a következtetéseket. Eszközszükséglet: Számítógép o Lego Mindstorms Education EV3 Student Edition szoftverrel o Multilab szoftver Lego Mindstorms EV3 chiptégla Ultrahangos távolságérzékelő (45504) Lego adatkábel 1 db Fourier Pressure nyomás mérő szenzor (DT 015-1) Usb Link mérési adatgyűjtő, adatkábelekkel méterrúd, 2 db állvány, gyorskötözők 1. oldal

2 kosárlabda A mérés, megfigyelés elméleti háttere A jó minőségű labdától elvárható, hogy minimum 48 órán át a szelepnél feltüntetett határértékek között tartsa a belső nyomást. A labdát tartsuk az előírt légnyomáson, vigyázzunk, ne fújjuk túl! Ha huzamosabb ideig nem használjuk, csökkentsük benne a légnyomást. A szeleppel bánjunk nagyon óvatosan, mert ez a labda legérzékenyebb része, ráadásul nem javítható, nem cserélhető. Pumpálás előtt a szeleptűt nedvesítsük meg, majd lassú, csavaró mozdulattal toljuk a szelepbe. Pumpálás után ugyanígy húzzuk ki. Eszközismertető EV3 Fourier EV3 chiptégla USBLink mérésadatgyűjtő Ultrahangos távolságérzékelő szenzor nyomásszenzor Lego Mindstorms Education EV3 Student Edition szoftver Multilab szoftver Előzetes kérdés, feltételezett válasz megadása: Hogyan befolyásolja a labdában lévő levegő nyomása azt, hogy a labda milyen magasra pattan fel a földről? Hipotézis: Ahogy a labdából kiengedem a levegőt, alacsonyabbra (magasabbra vagy alacsonyabbra) fog elpattanni a földtől. A kísérlethez kapcsolódó megfigyelése leírása Ebben a kísérletben két különböző gyártó mérési adatgyűjtőjét és szenzorait kell felváltva használnod. A labda belsejében uralkodó légnyomást a Fourier nyomásmérő szenzorral, a labda emelkedését az EV3-ra csatlakoztatható távolságérzékelővel tudod meghatározni. 2. oldal

3 Egy átlagos kosárlabdában a bezárt levegő nyomása 80 kpa, ezt a mérés során 10 kpa lépésekkel tervezzük csökkenteni. A kísérlet során mért adatok a tervezett adatoktól eltérhetnek, ezért a mért értékeket folyamatosan jegyezd fel a táblázat aktuális nyomás oszlopába. előkészületek: Készítsd elő a kísérleti eszközöket o Rögzítsd a távolságérzékelőt a chiptéglával együtt a méterrúd közepére úgy, hogy az érzékelő a rúdtól lefelé nézzen. Válaszd ki a kosárlabdádat. A mért adatokat mindvégig a feladatok utáni táblázatba fogod beírni: 1. feladat A labdában uralkodó légnyomás meghatározása Indítds el Multilab szoftvert, és csatlakoztasd a nyomásmérőt a számítógéphez, használd az alapértelmezett beállításokat. Nedvesítsd meg a légnyomás szenzorhoz csatlakoztatott tűt és illeszd a labdába. Nézd meg milyen nyomásértéket mutat a műszer! A mért értéket írd be a táblázatba! 2. feladat Az emelkedés megmérése Indítsd el az EV3 szoftvert az asztalon található ikonra kattintva: Indíts egy új mérést, Bluetooth kapcsolattal, a listából való kiválasztással csatlakoztasd a chiptéglát a számítógéphez. Kérd meg két társadat, hogy tartsák a rudat körülbelül 1,5 m-es magasságban úgy, hogy a szenzor lefelé nézzen! Fontos, hogy a mérés ideje alatt stabilan tartsátok a méterrudat. Az adatgyűjtéshez kövesd a következőket: 1. Indítsd el mérést 2. Tartsd a labdát körülbelül 15 cm-rel a szenzor alá. 3. Engedd el a labdát, és hagyd, hogy visszapattanjon. A grafikonról a pontanalízis segítségével állapítsd meg, és írd be a táblázat megfelelő oszlopába a mért értékeket! talaj távolsága a szenzortól labda tetejének távolsága a szenzortól elengedéskor labda tetejének távolsága a szenzortól az első visszapattanáskor. 3. oldal

4 3. feladat Különböző keménységű pattogó labda vizsgálata Csökkentsd a labdában uralkodó légnyomást a következő lépéseket követve: Nedvesítsd meg a légnyomás szenzorhoz csatlakoztatott tűt, és illeszd a labdába. Nézd meg, milyen nyomásértéket mutat a műszer. A szelepet kicsit meglazítva engedj ki egy kis levegőt a labdából. Közben figyeld, hogy hogyan változik a nyomás a labdában; minden mérés után 10 kpa -lal kell csökkentened azt. (Amikor először engedsz ki levegőt a labdából, akkor 80 kpa-ról 70 kpa-ra kell a nyomást csökkentened). Amikor a nyomás a kíván értékre csökkent, zárd be a szelepet, hogy több levegő ne áramoljon ki a labdából. Megjegyzés: ha nem pontosan 10 kpa sikerül a nyomást csökkenteni, az nem gond, de ha véletlenül sok levegőt kiengedtél a labdádból, azt jelezd a tanárodnak. Olvasd le kijelzőről a nyomásértéket, és jegyezd fel a táblázatod következő sorának aktuális légnyomás oszlopába. 4. feladat Ismételd meg a 2. feladatban leírtakat 5. feladat Folytasd a táblázat kitöltését a 3. és 4. feladat szerint. Tervezett nyomás érték Aktuális nyomás érték Talaj távolsága a szenzortól Adattábla Labda távolsága a szenzortól 1. visszapattanás távolsága 1. visszapattanás magassága: Talaj távolsága- 1. visszapattanás távolsága 80 kpa kpa m m m 70 kpa kpa m m m 60 kpa kpa m m m 50 kpa kpa m m m 40 kpa kpa m m m 30 kpa kpa m m m 20 kpa kpa m m m 10 kpa kpa m m m 6. feladat Számítsd ki az 1. visszapattanás magasságát! Talaj szenzortól mért távolsága - 1. visszapattanás szenzortól mért távolsága. Írd az értéket a táblázat utolsó oszlopába. 4. oldal

5 7. feladat Készíts grafikont Ábrázold a nyomás függvényében az elért emelkedési magasságot! Jelöld a tengelyeken mért mennyiségeket, és a mértékegységeket! Ha sikerült a légnyomás változása és a labda visszapattanási magasságának változása között valamilyen szabályosságot felfedezned, akkor jegyezd azt le!... A grafikonod alapján mit gondolsz, milyen magasra pattanna vissza a kosárlabda, ha a benne uralkodó légnyomás 90 kpa lenne?... Mi történne 100 kpa esetén?... Mi lenne a legmagasabb légnyomás érték, ami esetén még játszanál a kosárlabdával? Magyarázd meg a válaszod a gyűjtött adatok segítségével!... Érdekességek: A kosárlabda játék világszerte, így Magyarországon is, mind nagyobb népszerűségnek örvend. A fejlődés ráadásul kétirányú: a kosárlabda ma már nem csak látványos versenysport, hanem egyre inkább szabadidősport is. A két véglet: az NBA és a lakótelepi zsákoló verseny. Az egyszerűbb kosárlabdák gumiból, a versenylabdák legtöbbször valódi bőrből készülnek. Még jobb tulajdonságokkal rendelkezik a SPALDING cég által kifejlesztett kompozit alapanyag. 5. oldal

6 A jó minőségű gumilabda 3-rétegű, ezért jól tartja alakját és jól pattan. Vásárlás előtt győződjünk meg a labda gömbölyűségéről, ellenőrizzük, nincsenek-e repedések, sérülések a felületén. Figyeljünk arra, hogy a labda szemcséi kellemes tapintást és megfelelő tapadást biztosítsanak. A jó minőségű gumilabda viszonylag jól tűri az aszfaltot és az időjárás viszontagságait, de szabványos mérete és súlya miatt, alkalmas tornatermi edzésekre, iskolai kosárlabda oktatásra is. Az élsportban nagy értékű versenylabdák használatosak. Ezek között is a legjobbak 4-rétegűek. Külső héjuk 8, egymás mellé ragasztott bőrszelet, amelyeket ún. csatornák választanak el egymástól. Ezek a barázdák teszik a labdát érzékelhetővé és jól irányíthatóvá. Hasonló konstrukciójú labdák készülnek műbőrből is, ezek tapintása általában keményebb, viszont nagyon tartósak és lényegesen olcsóbbak. 1. A legtöbb SPALDING kosárlabda belsejében dupla butil tömlő tartja a nyomást. 2. A bőr és szintetikus labdák egy kétrétegű, mintegy 9,6 km hosszú, nylon szálból álló erősítés teszi formatartóvá. 3. A felső réteg alatti héj formázott kompozit bőr, vagy szintetikus műbőr. gumiból készül, amely a szálréteget és a külső köpenyt vulkanizálás segítségével stabilizálja. 4. A külső réteg a versenylabdáknál marhabőr. 1. A SPALDING gumi kosárlabdák belsejében dupla butil tömlő tartja a nyomást, ebbe pattintják bele a peremes szelepgumit. 2. A belső és külső réteg alatti héj formázott nylon és poliészter szerkezet, amely a labdát formatartóvá teszi. 3. A külső réteg speciális gumi, amelyet nagy nyomással sajtolnak a fenti rétegek köré, egyben kialakítva a jellegzetes, nappabőrt utánzó felületet is. Erre utólag kerülnek fel a különféle színes minták. Néhány éve a hivatalos NBA labdákat gyártó SPALDING cég a bőrt egy forradalmian új, kompozit anyaggal cserélte föl, amelyet valódi bőr és szintetikus anyagok ötvözésével állítanak elő. Az eredmény egy minden korábbinál jobb tapadású és kellemesebb tapintású héj. További előnye, hogy vadonatúj állapotban is jól tapad, nincs szükség a bőrlabdáknál megszokott többhetes bekoptatásra. A felszíne nem bolyhosodik ki idővel, így a labda élettartama lényegesen hosszabb. Az ismeretek ellenőrzése: 1. Mi a légtartály a kosárlabdában? 2. Milyen egységben határozhatjuk meg a labdába bezárt levegő nyomását? 3. Milyen szenzorokat és hogyan használtál fel a mérés során? 4. Milyen módszerrel változtattad meg a nyomást a labdában? 5. Milyen következtetést vontál le a kísérletből? Felhasznált szakirodalom: A mérési ötlet a Vernier szenzorcsalád honlapján közzétett kísérleten alapul: A kosárlabdákról szóló információk forrása: 6. oldal